SiO2/PEG200剪切增稠液體的制備及粘度性能分析

李 婷，祝振威，汪澤幸，李洪登

(湖南工程學院紡織服裝學院，湖南湘潭 411104)

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SiO2/PEG200剪切增稠液體的制備及粘度性能分析

李 婷，祝振威，汪澤幸，李洪登

(湖南工程學院紡織服裝學院，湖南湘潭 411104)

以納米SiO2粉體為分散相，PEG200為分散介質獲得了不同質量分數的剪切增稠液體，并分析了SiO2質量分數及粒徑對剪切增稠液體流變性能的影響。測試結果表明，欲提高剪切增稠性能，可通過減少分散相粒徑，同時增加分散相質量分數來實現；但當分散相質量分數較高時，需要添加以無水乙醇為代表的稀釋劑，降低液體的粘度，以獲得分散均勻的剪切增強液體；同時為去除攪拌過程中產生的氣泡，需對制備的剪切增稠液體進行真空處理，但真空處理時間不宜太長，以免分散相和分散介質的過度損失。

剪切增稠液體 納米二氧化硅 粘度

0 引言

作為一種具有非牛頓力學行為的可逆流體，剪切增稠液體(Shear Thickening Fluid，STF)在常態(tài)下表現為液態(tài)特性，當受高速沖擊作用時，表觀粘度急劇增加，而呈現出固體狀；當外加沖擊力消失后，又迅速恢復到原來的柔性狀態(tài)[1]，其為一種處于固、液混合狀態(tài)的納米粒子溶液，納米粒子作為分散相懸浮在有機溶劑分散介質中。近年來，剪切增稠液體對沖擊應力的流變響應特性及其響應的能量吸收性能使其成為一種理想的防護類柔性復合材料[2]。

隨著研究的不斷深入，對剪切增稠液體的認識已從對實驗現象的定性描述發(fā)展到對其增稠過程和機理的分析。本文以納米SiO2粉體為分散相，聚乙二醇為分散介質制備剪切增稠液體，主要研究分散相的質量分數及粒子直徑對剪切增稠液體流變性能的影響。

1 實驗原料與步驟

1.1 實驗原料

商購粒徑為15nm、30nm和50nm的氣相納米SiO2粉體為分散相，平均分子量為200和600的聚乙二醇(PEG200)為分散介質，以及無水乙醇為稀釋劑。

1.2 剪切增稠體系的制備

由于選用的分散相粒徑較小，在分散介質中團聚現象嚴重，在制備分散體系時，需分批加入SiO2粉體。在制備過程中，每隔4分鐘緩慢加入部分SiO2粉體，將納米SiO2粒子與PEG200在600轉/分鐘的轉速下攪拌2小時，之后將樣品在真空干燥箱中靜置24小時，以去除分散體系中的氣泡，以獲得穩(wěn)定的分散體系。具體配方及制備方法列于表1中。

表1 剪切增稠分散體系配置表

1.3 流變性能測試

剪切增稠分散體系的流變性能，主要通過測試其在不同剪切速度下的粘度來表示[1-3]。結合實驗室現有器材，選用NDJ-8S旋轉式粘度計來測試剪切增稠體系的粘度，選用不同直徑的轉子并配合不同轉速來實現不同的剪切速度，但該粘度計最高轉速為60轉/min，難以表征高剪切速度下的流變性能。在測試過程中，所測的粘度總會超過粘度計的量程，超過扭矩的80%，測試精度無法保證，且無法獲得剪切增稠液體穩(wěn)定態(tài)粘度。沙曉菲等[3]研究發(fā)現，剪切增稠液體的起始粘度、臨界粘度以及終止粘度之間變化趨勢具有一致性，三者中任何一個，均可反映其流變性能。基于此，本文選用1號轉子，并以10秒時的粘度值為表征指標，對不同分散體系的流變性能進行對比分析。

2 實驗結果與分析

2.1 攪拌方式的影響

在制備過程中，液體表面與空氣反復接觸，在攪拌過程中，空氣不斷進入分散體系內部，造成氣泡存在，將影響后續(xù)復合織物加工時，剪切增稠液體對織物的浸透性能，故需在真空條件下，去除氣泡。對比機械攪拌和磁力攪拌制備的兩種剪增稠液體，機械攪拌制備的剪切增稠液體內部及液體表面存在較多的氣泡(如圖1所示)。

(a)機械攪拌 (b)磁力攪拌

圖1 不同攪拌方式下制備的剪切增稠液體(質量分數為15%)

在制備過程中發(fā)現，當分散相質量分數超過20%時，實驗室現有磁力攪拌器就難以順利攪拌，此時需考慮加入適量無水乙醇進行稀釋，以降低分散體系的粘度；當分散相質量分數達到50%時，需要以1:3的比例添加無水乙醇，才能制備混合均勻的剪切增稠液體。在測量其流變性能前，需采用抽真空的方式，去除所添加的無水乙醇。

實驗過程中還發(fā)現，抽真空可有效去除氣泡和無水乙醇，但過度真空處理，會將部分聚乙二醇也同時去除，殘留白色塊狀物(見圖2)。這主要是由于無水乙醇沸點較低，在低壓下易于蒸發(fā)和沸騰，從而被抽出，但此時也會帶動部分PEG200和納米SiO2同時從剪切增稠液體中分離出來，使剪切增稠液體中含固率增加。

相比于磁力攪拌，雖然人工機械攪拌范圍廣、力度大，適用于高質量分數剪切液體的制備，但攪拌速度較慢，長時間攪拌時，攪拌速度波動大，且制備的分散體系中氣泡較多，在真空處理時，處理時間較長，更易抽出部分PEG200液體，造成質量分數的大幅度變化。

圖2 過度抽真空后塊狀殘留物

綜合考慮上述因素，下述部分實驗僅采用磁力攪拌方式配置的剪切增稠液體，并僅對分散相質量分數在20%以下的剪切增稠液體的粘度進行測試，以此反映其流變性能。

2.2 分散相含量的影響

對1號和3號試樣的粘度進行測試，轉速與粘度之間的變化趨勢見表2。

表2 不同濃度下轉速對流變性能的影響(納米顆粒直徑為50nm)

質量分數為15%質量分數為20%轉速(轉/min)粘度(Mpa.s)轉速(轉/min)粘度(Mpa.s)0.3788170.3877290.61905290.62010231.5824601.58923032865333200161054614531252012920301570301840601607601732

從表2中可以看出，在同等轉速下，即相同剪切速率下，質量分數高的剪切增稠分散體系其粘度較高，表明要提高分散體系的剪切增稠性能，可考慮提高分散體系的質量分數。這是由于同等分散相粒徑下，質量分數越高，單位容積內粒子數量增加，粒子間平均距離越短，在外加剪切變形作用下，粒子間相互干擾碰撞的機率越高，表現為粒子移動阻力增加，剪切增稠效應越明顯。

從表2中還可以看出，在同等濃度下，隨著轉速的增加，剪切增稠分散體系的粘度先增加，達到峰值后，粘度下降，達到最小值后，隨著轉速的增加，粘度再次小幅度增加，但由于實驗設備的原因，未能測得高轉速下的粘度變化趨勢。該變化趨勢表明，隨著轉速的增加，即剪切速率的增加，該分散體系存在剪切增稠和剪切變稀的過程。剪切增稠現象可用“粒子簇”理論來解釋，在較低的剪切速率下，SiO2團聚體因存在較弱的位阻斥力和布朗運動作用下，不會形成“粒子簇”，但因剪切作用破壞了網狀結構，從而導致粘度下降; 隨著剪切速率的進一步增大，流體作用力成為主要作用力，促使分散體系中的SiO2團聚體形成了“粒子簇”，使得體系的粘度增大[4-7]。從本文測試結果來看，在較高剪切速率下表現的剪切變稀和后續(xù)出現的剪切增稠現象，是否會在穩(wěn)定粘度中體現，以及其出現的機理需做進一步研究；此外，在使用時應加以關注。

2.3 分散相粒子直徑的影響

分散相質量分數為15%，顆粒直徑分別為15nm，30nm及50nm的分散體系，在不同轉子轉速下的粘度值列于表3中。

表3 分散相濃度相同下粒子直徑對粘度的影響

從表3中可以看出，在相同質量分數和不同轉子轉速的條件下，分散相顆粒直徑越小，其粘度值越高，即表明分散相顆粒直徑越小，相同質量分數下，其抗剪切性能越高。這主要是由于，相同分散相質量分數下，顆粒直徑越小，粒子數量越多，單位容積內，粒子數量也越多，粒子之間的平均距離越短，粒子間相互干擾碰撞的機率越高，粒子活動自由空間越小，在外加剪切作用下，表現為粒子移動阻力增加，剪切增稠效應越明顯。

3 結論

通過實驗表明，剪切增稠現象隨著顆粒直徑的減小、分散相質量分數的增加而趨于明顯。采用不同的攪拌方法，可以配備不同質量分數的剪切增稠液體；相對于磁力攪拌法，機械攪拌法獲得的分散分數體系氣泡較多，給真空處理帶來了不便。對于高質量分數的剪切增稠液體，配置時需要加入稀釋劑，無水乙醇因其具有易揮發(fā)，沸點低，初粘度低等優(yōu)點，可通過真空處理去除，可作為稀釋劑。由于實驗條件有限，現有粘度計轉速無法無級調節(jié)，只能獲得固定轉速點的粘度值。

[1] 伍秋美. SiO2分散體系流變學研究及其在防護材料方面的應用[D]. 長沙： 中南大學， 2007.

[2] 景曉穎， 陸振乾. 不同濃度和溶劑對剪切增稠液流變性能的影響[J]. 玻璃鋼/復合材料， 2014(3)： 32-35.

[3] 沙曉菲, 俞科靜, 錢坤. 不同分子量PEG對剪切增稠液體流變性能的影響[J]. 新型化工材料， 2013,41(5)： 100-102.

[4] Boersma W H， Laven J， Stein H N． Computer stimulations of shear thickening of concentrated dispersions[J]． Journal of Rheology， 1995， 39(5): 841-860．[5] Bossis G, Brady J F. The rheology of brownian suspensions [J]. Journal of Chemical Physics, 1989, 91(3): 1866-1874．

[6] 馬勇, 陳宏書, 王結良, 等. 基于剪切增稠液體防護裝甲的研究[J]． 高分子通報， 2012(6): 49-53．

[7] 劉君, 熊黨生, 熊華超. 剪切增稠流體浸漬Kevlar復合材料的防刺性能[J]． 南京理工大學學報:自然科學版， 2010(2): 271-274．

2016-03-27

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201511342003)，湖南省大學生研究性學習和創(chuàng)新實驗計劃項目

汪澤幸(1982-)，男，博士，講師。

TB332

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1008-5580(2016)04-0087-03